Luftfahrzeuge Was ist eine Drohne?

Drohnen gewinnen zunehmend an Bedeutung. Ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt, werden Drohnen heute in sehr vielen zivilen Bereichen eingesetzt. Doch was genau ist eine Drohne, welche Varianten gibt es und aus welchen Komponenten bestehen sie?

Eine Drohne (englisch: Unmanned Aerial Vehicle, UAV) ist ein unbemanntes, elektrisch betriebenes Luftfahrzeug. Drohnen werden entweder ferngesteuert, navigieren über eine Software oder fliegen autonom anhand vorprogrammierter Flugwege, die mittels Satelliten (GPS) überwacht werden. [1]

Ursprünglich wurde der Begriff „Drohne“ für militärische Luftfahrzeuge genutzt. Heute wird er auch für zivile und private Fluggeräte verwendet, die sich zum Erstellen von Foto- und/oder Videoaufnahmen aus der Luft mit einer Fernbedienung, einem Smartphone oder anderen mobilen Geräten steuern lassen. Es gibt außerdem mittlerweile Drohnen, die sich rein durch Handgesten steuern lassen.

Dank moderner Technologien sind Drohnen inzwischen kompakter, leistungsfähiger und leichter geworden, wodurch auch Privatpersonen und Unternehmen einen einfachen Zugang zu dieser Technologie haben.

Während militärische Drohnen meist größeren Modellflugzeugen ähneln, gleichen die zivil genutzten Geräte eher kleinen Hubschraubern mit mehreren Rotoren. In Fachkreisen werden solche Fluggeräte aufgrund ihrer variablen Anzahl an Rotoren auch „Multikopter“ genannt. Im weiteren Verlauf werden daher die Begriffe „Drohne“ und „Multikopter“ synonym verwendet.

Dieser Beitrag konzentriert sich auf die zivilen, industriellen und behördlichen Einsatzgebiete von Drohnen.

Was ist ein Multikopter?

Drohnen bzw. Multikopter verfügen über mehrere, senkrecht nach unten wirkende Rotoren, die für den Auftrieb und die Steuerung sorgen. Die auf einer horizontalen Ebene angeordneten Rotoren werden einzeln über Elektromotoren angetrieben. Durch die gezielte Veränderung der Drehzahlen einzelner Rotoren lassen sich verschiedene Flugmanöver durchführen: steigen, sinken, drehen, Vorwärtsflug und Rückwärtsflug. Im Gegensatz zu klassischen Hubschraubern, die überwiegend einen Hauptrotor und einen Heckrotor besitzen, verzichten Multikopter auf komplexe Mechanik wie z. B. Taumelscheiben oder verstellbare Rotorblätter. Die gesamte Stabilisierung und die Flugbewegungen erfolgen ausschließlich durch die präzise Ansteuerung der Motordrehzahlen. [2]

Aus welchen Bestandteilen besteht eine Drohne?

Die wichtigsten Bestandteile von Multikoptern sind

• der Rahmen (Frame),

• die Motoren,

• die Propeller,

• elektronische Drehzahlregler (ESC),

• die Flugsteuerung (Flight Controller),

• ein Empfänger,

• verschiedene Sensoren,

• eine Kamera und ein Videosender sowie

• die Akkus.

Der Rahmen liefert die tragende Struktur, an der alle Komponenten des Multikopters befestigt sind. Moderne Frames bestehen meist aus robuster und zudem leichter Carbonfaser.

Für die Motoren werden bürstenlose Gleichstrommotoren (Brushless DC-Motors) verwendet, die die Propeller antreiben. Die Wahl solcher Motoren kommt nicht von ungefähr, weil bürstenlose DC-Motoren einen geringeren Verschleiß und einen hohen Wirkungsgrad von typischerweise 85 bis 90 Prozent haben. Bürstenlose DC-Motoren können bei gleicher Baugröße wie bürstenbehaftete Motoren mehr Leistung liefern und sind mechanisch einfach aufgebaut, wodurch sie besonders robust und weniger verschleißanfällig sind (lange Lebensdauer). Überdies ermöglichen die DC-Motoren durch elektronische Kommutierung eine exakte Steuerung der Drehzahl und Position, was für die Flugstabilität eines Multikopters essenziell ist. Hinzu kommt ein leiser und vibrationsarmer Betrieb, der für gute Aufnahmen und dem allgemeinen Komfort beim Steuern und Fliegen relevant ist. [3]

Die Propeller werden von den Motoren angetrieben und sorgen für den notwenigen Auf- und Vortrieb, wobei die Auswahl, Anzahl und Anordnung der Propeller maßgeblich die Flugleistung eines Multikopters beeinflussen. Propeller und Motoren bilden gemeinsam die Rotoren des Fluggerätes.

Die elektronischen Drehzahlregler steuern die Drehzahl der einzelnen Motoren und setzen die Steuerbefehle des Flight Controllers um. Er ist gewissermaßen das intelligente Herzstück eines Multikopters, da hier alle Sensordaten zusammenlaufen und die Motoren angesteuert werden.

Der Empfänger erhält die Steuerbefehle für den Multikopter vom Bediener bzw. Piloten, etwa über eine Fernsteuerung, und gibt sie an den Flight Controller weiter.

Zu den gängigen Sensoren in Multikoptern gehören etwa Gyroskope, Beschleunigungssensoren, Barometer, GPS und möglicherweise auch Magnetometer. Die Sensoren sorgen für die Lageerkennung, Stabilisierung und Navigation des Multikopters.

Mit der Kamera kann der Bediener des Multikopters während eines Fluges Bild- und Videoaufnahmen machen. Ein Begriff ist in diesem Zusammenhang der FPV-Flug (First Person View, Sicht aus der ersten Person), bei der der Bediener eine Art Piloten-Perspektive in der Drohne einnimmt. Dies geschieht entweder durch eine Videobrille oder einen Monitor. Die Kameras sind zur Stabilisierung und zum Ausgleich von Flugbewegungen in der Regel an einem Gimbal (einer kardanischen Aufhängung) befestigt, um Luftaufnahmen in hoher Qualität zu ermöglichen. Die Aufnahmen werden meist „on board“ auf einer Speicherkarte abgelegt, die nach dem Flug über einen PC ausgelesen werden kann.

Schlussendlich sind noch die Akkus erforderlich, um die Rotoren und die Kamera mit Strom zu versorgen.

Die genannten Komponenten sind, bis auf den Frame modular aufgebaut und können je nach Anwendungsbereich und Modell der Drohne angepasst oder erweitert werden. [4]

Welche Multikoptervarianten gibt es?

Multikopter werden primär nach der Anzahl der Rotoren unterschieden.

• Ein Multikopter verfügt mindestens über drei Rotoren, Trikopter genannt,

• dann kommen Quadrokopter mit vier 4 Rotoren,

• Hexakopter mit sechs Rotoren,

• Octokopter mit acht Rotoren,

• Decakopter mit zehn 10 Rotoren und schließlich

• Dodecakopter, die über 12 Rotoren verfügen. [5]

Warum ist die Zahl der Rotoren wichtig?

Die Anzahl der Rotoren bei Multikoptern beeinflusst entscheidend deren Flugstabilität, da mehrere Rotoren nicht nur für eine ruhigere Fluglage sorgen, sondern überdies eine präzisere Steuerung und damit exaktere Flugmanöver durch eine fein abgestimmte Regulierung der einzelnen Motordrehzahlen ermöglichen.

Multikopter mit mehr als vier Rotoren (z. B. Hexa- oder Octokopter) verfügen über eine höhere Ausfallsicherheit, da sie selbst bei einem Totalausfall eines Rotors weiterfliegen können. Ein Quadrokopter würde indes bei einem Motorausfall abstürzen, wenn er keinen Fallschirm hat, den es mittlerweile für die Geräte auch gibt.

Mit zunehmender Rotorenzahl steigt zudem die potenzielle Tragkraft eine Multikopters. Insbesondere Multikopter mit sechs bis zwölf Rotoren können vergleichsweise schwerere Lasten heben und eignen sich daher besser für professionelle Einsätze wie der Luftbildfotografie oder Transportaufgaben, zumal es hierzu schon eine Reihe an Pilotprojekten gibt. Hinzu kommt, dass eine höhere Anzahl an Rotoren den Auftrieb des Multikopters auf mehrere Motoren verteilt, was bei schweren Lasten von Vorteil ist. Jedoch steigt mit der Rotorenzahl auch die Komplexität bei der Steuerung des Fluggerätes, und auch der Energiebedarf und somit die benötige Akkukapazität ist größer.

Multikopter mit weniger Rotoren sind indes leichter und benötigen weniger Bauteile, verlangen aber den Bedienern hinsichtlich der Steuerung ein hohes Maß an Konzentration ab, da sie eine weniger stabile Fluglage haben. [6]

Wie so oft, kommt es bei der Wahl einer geeigneten Drohne bzw. eines geeigneten Multikopters auf die jeweilige Anwendung und die hieran geknüpften Aufgaben und auch die möglichen Erwartungen an.

Wo werden Multikopter eingesetzt?

Die potenziellen Einsatzfelder im zivilen Bereich sind nicht allein aufgrund der immens großen Auswahl an unterschiedlichen Drohnen sehr breit gefächert, wobei vor allem die Attribute Vielseitigkeit und Flexibilität im Vordergrund stehen.

• In der Industrie können Multikopter Werksgrenzen überwachen, Industrieanlagen und Gebäude aus der Luft kontrollieren oder genauer gesagt inspizieren, um etwa innerhalb von weit verteilten Anlagen rechtzeitig mögliche Probleme oder Mängel zu erkennen. In diesem Zusammenhang ist der Einsatz von Drohnen zudem zur Unterstützung einer Werksfeuerwehr oder aber zur Dokumentation der industriellen Infrastruktur denkbar.

• Ein weiteres industrielles Einsatzgebiet ist der Transport von Gütern (z. B. Ersatzteile) und kleinen Waren innerhalb eines Werksgeländes, um Prozesse zu beschleunigen und Kosten zu senken.

• Im Bereich der Energie- und Versorgungswirtschaft sind Drohnen bereits häufig zur Inspektion von Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen, Hochspannungsmasten sowie oberirdischen Pipelines und Kraftwerken im Einsatz.

• In der Bau- und Immobilienwirtschaft ermöglichen Drohnen die Vermessung von Gelände. Weitere Einsatzfelder sind hier u.a. Baudokumentationen, Fassadenkontrollen, die Kontrolle von in der Bauphase befindlichen Projekten (Baufortschrittskontrolle) oder die 3D-Modellierung von Baustellen und Gebäuden mithilfe von Lidar.

• In der Land- und Forstwirtschaft unterstützen Drohnen wiederum z. B. eine effizientere Bewirtschaftung von Agrarflächen sowie eine gezieltere Überwachung von Waldflächen und Naturzonen, wobei sie u. a. auch zur Beobachtung, Kontrolle und Zählung von Wildtierbeständen dienen können.

• Auch im Brand- und Katastrophenschutz wird zunehmend auf Luftbildaufnahmen gesetzt, sei es bei der Lageerkundung, der Überwachung von Rettungseinsätzen oder der Personensuche, oftmals unter Einsatz spezieller Sensorik wie Wärmebildkameras. Während der warmen Jahreszeiten mit erhöhtem Waldbrandrisiko sind Drohnen mittlerweile unverzichtbare Helfer, um den Feuerwehr-Einsatzkräften vor Ort eine erste wichtige Orientierung zur Ausdehnung und geografischen Verteilung eines Feuers zu geben.

• In Spanien werden Drohnen mittlerweile zur Überwachung von Touristenstränden eingesetzt, um in Seenot geratene Schwimmer zu retten. Die Multikopter führen hierzu zwei Rettungswesten mit, die über dem Schwimmer abgeworfen werden können, weil bei der Rettung in starker Meeresströmung jede Minute zählt.

• Universitäten und Forschungseinrichtungen nutzen Multikopter zur Vermessung etwa von Gletschern und Vulkanen in schwer zugänglichem Gelände (Geowissenschaft), für Tierbeobachtungen (Bio- und Naturwissenschaft), für Luftqualitätsmessungen (Meteorologie) oder gar als kooperative Systeme im Schwarm für die Logistik oder Suchmissionen, um nur wenige Beispiele zu nennen.

• In Film- und Fernsehproduktionen sind ebenfalls vermehrt Luftaufnahmen zu sehen, die in der Vergangenheit mit hohem Aufwand zum Beispiel unter Einsatz von Helikoptern gemacht wurden.

• Last, but not least sind solche Aufnahmen vermutlich auch ein Grund dafür, dass sich Multikopter für private Zwecke immer größere Beliebtheit erfreuen. [7]

Anbieter von Multikoptern und Drohnen-Dienstleistungen

• Airclip

• Aeronautics Group

• Cavok

• Delair

• Delta Drone

• Droniq

• Droneparts.de

• DZ Drone Zone

• FlyingStars

• Flypix

• Gryphon Dynamix

• Kopterflug.eu

• Kopter-Profi

• Leonardo

• Luftaufnahmen-Deutschland.de

• Mecalux

• Meilon

• Microdrones

• Passpunkt

• Perrot

• SaarDrones

• TopSeven

• Up

Diese Übersicht erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellennachweis

[1] dipul Digitale Plattform Unbemannte Raumfahrt
Wikipedia
DEVWorkplaces.com

[2] Kopter-Profi
Wikipedia
Luftaufnahmen-Deutschland

[3] Wikipedia; FPV24
DZ
Stepper online

[4] FPV24;
Wikipedia;
Flying Stars

[5] Kopter-Profi

[6] Wikipedia

Kopter-Profi

Modellflugwelt

Saar Drones

Passpunkt

[7] Top Seven
Droniq
Drone Parts
Wikipedia
Mecalux

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